基于嵌入式多参数平台的发酵过程连续监测系统设计与功能评估

《Sensors》：Design and Functional Evaluation of an Embedded Multiparametric Platform for Fermentation Monitoring

　　

连续监测物理化学变量可在发酵过程中提供时间分辨信息，同时减少对离散人工测量的依赖。本研究介绍了一种用于实验室规模发酵环境中连续监测的嵌入式多参数平台的设计、实现及功能概念验证评估。该平台在分布式架构内集成了传感、嵌入式数据采集、本地处理、时间序列数据组织及自动存储功能。温度、pH、溶解氧（dissolved oxygen, DO）及氧化还原电位（oxidation-reduction potential, ORP）通过商用传感设备进行监测，这些设备集成于一个标称容量约25 L、工作体积20 L的不锈钢发酵反应器中。采用Arduino Uno实现传感器接口与数据采集，而Raspberry Pi 4则负责本地处理、时间序列组织及所获信息的自动存储。实验评估包括受控条件下的初步运行，以及以赤霞珠（Cabernet Sauvignon）葡萄酒发酵作为真实工艺运行场景，以评估平台在酿酒条件下的集成功能。在所报告的实验中，传感、采集、通信、处理及数据管理子系统协同运行，生成了连续的、按时间顺序结构化的多参数记录。所监测通道呈现不同的时间模式，其中温度和pH变化相对平缓，而ORP和DO则出现较短持续时间的波动。实验方案旨在评估系统集成运行，而非各传感通道的计量性能。因此，所记录数值应被解读为概念验证监测数据，而非经验证的酿酒参数分析测定结果。特别是初始阶段记录的pH绝对值以及ORP和DO中观察到的短时变化，若无同步参考仪器测量，则无法明确解读。研究结果表明，将多个物理化学传感通道与嵌入式采集、处理及自动数据管理能力集成于同一实验平台的可行性。因此，所提出的系统构成了一项实验室规模的技术概念验证，并为未来涉及定量传感器表征、重复性与漂移评估，以及在与参考仪器进行验证后再进行分析或工业规模应用的研究奠定了基础。

论文解读：基于嵌入式多参数平台的发酵过程连续监测系统设计与功能评估

一、研究背景与问题提出

酒精发酵是葡萄酒酿造的核心环节之一，葡萄中的糖分在酵母代谢作用下转化为乙醇和二氧化碳，同时伴随大量影响葡萄酒理化及感官特性的生化转化。发酵过程的演变取决于酵母代谢与周围发酵环境之间的相互作用，因此对发酵过程中理化条件的观测成为实验及生产规模酿酒学的重要组成部分。温度、pH、溶解氧（dissolved oxygen, DO）和氧化还原电位（oxidation-reduction potential, ORP）等变量分别提供热条件、酸碱平衡、氧可用性及介质氧化还原状态等方面的互补信息。温度影响微生物活性及发酵动力学，并可能影响成品酒的组成；pH的演变与多种化学及微生物现象相关，对葡萄酒组成、微生物稳定性及有机酸代谢具有重要影响；氧可用性影响酵母代谢及葡萄酒特性；ORP则反映发酵过程中氧化或还原条件的变化。

传统上，这些变量的监测依赖定期采样和实验室分析。虽然离散测量对于分析表征仍然必不可少，但其仅能提供选定时间点的观测数据，可能遗漏采样间隔之间发生的变化。连续监测通过保留过程的时间演变信息并提供互补性观测途径，可减少对重复人工测量的依赖。尽管传感技术和嵌入式电子学的发展不断扩展连续酿酒监测的可能性，现有研究往往侧重于特定测量原理的分析特性、通信方案、分布式传感或高级数据分析，而将多个测量通道与数据采集、处理、时间序列组织及存储集成于统一实验基础设施中的系统性研究仍相对缺乏。因此，在实验室规模发酵环境中，将商用传感技术与嵌入式采集和信息管理能力相结合，用于连续多参数发酵监测的实验平台仍具有实际研究价值。

二、研究内容与主要结论

针对上述需求，研究人员设计、实现并功能评估了一种嵌入式多参数监测平台，该平台能够在实验室规模发酵环境中集成连续传感、数据采集、本地处理、时间序列组织及自动数据存储功能。平台将温度、pH、DO和ORP四个传感通道集成于统一的嵌入式监测基础设施中，并以赤霞珠（Cabernet Sauvignon）葡萄酒发酵作为真实工艺运行场景，评估平台在酿酒条件下的集成运行能力。实验结果表明，在报告的各项测试中，传感、采集、处理、通信及数据管理子系统能够协同连续运行，并生成按时间顺序结构化的多参数记录。在酿酒条件下，平台捕获了不同的时间模式，包括温度和pH的渐变以及ORP和DO的短时波动。该研究的主要贡献在于系统集成与功能运行层面，而非引入新的传感原理。研究明确区分了连续信号采集与计量验证：实验证明平台能够检测并保留监测变量的时间变化，但并未建立各传感器分析精度、精密度、重复性、测量不确定度或长期稳定性。因此，该平台应被视为实验室规模的功能概念验证，而非经过全面验证的工业级监测仪器。

三、关键技术方法

研究人员采用分布式嵌入式架构，将系统划分为两个主要计算层级：第一层负责传感器接口与数据采集，采用Arduino Uno微控制器；第二层负责数据处理、时间序列组织与永久存储，采用Raspberry Pi 4单板计算机。传感子系统集成四个通道：pH通道采用PH-4502C模拟调理模块连接Arduino Uno模数接口；温度采用DS18B20传感器通过1-Wire协议通信；DO采用Renke RS-LDO-N01-1变送器通过Modbus RTU协议经USB–RS485接口连接Raspberry Pi。Arduino与Raspberry Pi之间采用USB串行通信（9600波特率）。数据处理例程基于Python 3.X实现，按采集日期生成结构化文件。实验在不锈钢发酵反应器（标称容量25 L，工作体积20 L）中进行，采用商业活性干酵母菌株Saccharomyces cerevisiae var. bayanus（PI Bayanus，智利）作为发酵菌种。受控阶段使用合成YM培养基，酿酒阶段使用来自智利莫莱地区Cauquenes的Vi?a Do?a Aurora del Peumo酒庄赤霞珠葡萄汁，初始葡萄糖/果糖（GLU–FRU）含量为264 g/L，初级氨基酸氮（primary amino nitrogen, PAN）含量为2613 mg/L。发酵以批次模式进行，工作体积20 L，监测周期6天。补充分析包括600 nm光密度（OD₆₀₀）酵母生长测定、Bante920 pH计酸碱行为评估及Biosystems Y15自动分析仪GLU–FRU/PAN浓度测定。

四、研究结果

1. 嵌入式平台运行与数据管理

在报告实验中，采集单元与处理单元之间的通信保持运行，各传感通道的测量数据成功传输至处理单元，并按采集日期自动组织存储。信息管理工作流程验证了采集链的功能运行。通信可靠性、数据丢失概率、延迟及计时精度未独立量化，结果应视为功能连续性的证据而非定量通信性能。

2. 受控条件下的运行

在葡萄汁运行之前，研究人员使用合成YM培养基进行了初步测试，以验证传感、采集和处理子系统在成分明确的发酵培养基中的协调运行。监测通道在测试期间生成连续记录，信息纳入自动存储流程，提供了完整测量链的功能验证。

3. 葡萄酒发酵期间的多参数监测

在初步测试之后，完整平台在赤霞珠葡萄汁的酿酒条件下运行。四个变量呈现不同的时间模式。温度剖面呈现初始较高温度后总体下降并伴随短期波动，但未进行独立热平衡分析，微生物活性、环境条件等因素的相对贡献无法区分。pH剖面在实验初期呈渐进下降趋势，随后变化较小，但初始阶段的绝对值（包括超出葡萄汁典型预期范围的值）需谨慎解读，因未进行同步参考仪器测量，无法确定其反映实际介质条件、传感器校准效应、测量漂移还是其他仪器因素。ORP记录整体向负电位值演变，与介质向更还原条件转变一致，同时叠加多次向更正值的短时偏移，但其来源无法唯一确定，可能反映介质实际变化、操作扰动、传感元件附近局部条件或测量相关效应。DO剖面在实验大部分时间内保持在记录范围低位附近，同时存在多次瞬态升高，低DO值占主导与酒精发酵过程中氧可用性下降定性一致，但瞬态升高的具体来源无法从现有数据确定。在添加20%（w/v）硫酸铵溶液时观察到ORP和DO剖面变化，但该时间关联不能确立生化因果关系。四个剖面的综合分析表明，平台能够同时连续采集互补的物理化学信息，温度与pH呈现相对渐变的趋势，而ORP和DO同时包含长期趋势和短时波动，这强化了多参数监测的必要性。

4. 集成功能评估

在报告测试中，传感、采集、处理和信息管理功能协同运行并生成监测变量的时间顺序记录。架构层面，采集数据成功传输至处理单元并自动存储；实验层面，同一架构在发酵过程中连续记录温度、pH、ORP和DO。主要成果在于功能集成的证明，而非计量性能的优越性。

5. 范围与局限性

研究结果应在实验室规模概念验证的范围内解读。实验在25 L标称容量、20 L工作体积的实验室反应器中进行，结果不能直接外推至工业发酵罐。传感子系统未进行完整的计量表征，未包括系统不确定度估计、重复性评估、长期漂移表征或与可溯源参考仪器的定量比较。连续暴露于发酵介质可能影响传感器长期响应，但实验未设计量化此效应。电子组件需要适当封装和环境防护才能用于酒厂常规运行。平台主要面向数据采集与存储，未包含交互式可视化图形界面。平台用于监测而非闭环过程控制，未评估基于采集变量的自动控制操作，也未实现人工智能、预测建模或自动监督功能。

五、讨论总结与结论翻译

未来工作应包括传感器校准与漂移表征、缺失或重复数据的质量标记、通信健康监测、同步干预日志及定期参考采样。工业转化还需传感器布置研究、污垢评估、清洁规程、环境保护及独立安全措施。模块化采集架构可能适用于其他发酵或生物过程环境，但与不同介质、粘度、污垢行为及传感器要求的兼容性尚未得到证明。实验室规模原型开发估计成本为536,090智利比索，不应解读为完整工业成本或经济优越性的证据。

本研究介绍了用于实验室规模发酵实验中物理化学变量连续观测的嵌入式多参数监测平台的设计与功能评估。实验结果表明，所提出的方法在概念验证层面具有功能可行性。在报告测试中，采集与处理单元协同运行，监测变量被连续记录，信息按时间顺序组织并存储以供后续分析。主要贡献在于将商用传感技术集成于分布式嵌入式架构中，实现连续多参数监测。该平台应被视为实验监测基础设施而非经过全面验证的工业仪器。研究同时强调了区分连续信号采集与计量验证的重要性。当前原型代表实验室规模功能概念验证，不应被视为工业验证的监测解决方案。后续开发应聚焦于针对可溯源参考仪器的定量传感器表征、长期漂移与重复性评估、更广泛发酵条件下的评估、电子组件环境保护及更大生产规模的测试。在这些边界内，结果支持使用分布式嵌入式架构作为实验酿酒学中连续多参数监测的基础，为后续发酵监督、定量过程表征以及经适当验证后的数据驱动监测策略发展提供了结构化的技术基础。